Os fenômenos das ondas de pressão em motores aspirados

O transdutor de pressão é um dispositivo que permite medir a pressão de um fluido em um determinado ponto. Ele é composto por um elemento sensor que reage à variação de pressão e produz um sinal elétrico proporcional à mesma. Esse sinal é enviado para o osciloscópio, que é um instrumento que mostra a forma de onda do sinal em uma tela.

TRANSDUTOR DE PRESSÃO APLICADO NO CILINDRO

No caso do motor de combustão interna, o transdutor de pressão pode ser usado para analisar o funcionamento do ciclo termodinâmico que ocorre nos cilindros. Para isso, o transdutor é instalado no orifício da vela de ignição. Assim, ele capta a pressão que atua no cilindro durante as quatro fases do motor: admissão, compressão, combustão e exaustão. (Fig1)

As ondas de pressão permitem identificar as características do motor, como a eficiência da combustão, o tempo de abertura e fechamento das válvulas, a taxa de compressão, o avanço da ignição, o estado dos anéis e dos pistões, entre outros. Por exemplo, se a onda de pressão no cilindro apresentar uma queda abrupta após o pico da combustão, isso pode indicar uma fuga de compressão por causa de um anel quebrado ou uma válvula danificada. Outro exemplo é se a onda de pressão no escapamento apresentar uma oscilação excessiva, isso pode indicar uma obstrução no catalisador ou no silenciador. (Fig2)

Além disso, o transdutor de pressão pode ser usado em conjunto com outros sensores para verificação do sincronismo do motor. O sincronismo é a relação entre a posição angular do eixo virabrequim e do eixo de comando de válvulas. Essa relação é fundamental para garantir que as válvulas se abram e fechem no momento correto em relação ao movimento dos pistões.Para verificar o sincronismo, o transdutor de pressão é combinado com o sensor de rotação (CKP), que mede a velocidade angular do eixo virabrequim, e com o sensor de fase (CMP), que mede a posição angular do eixo de comando de válvulas. (Fig3) 

Com essas informações, é possível determinar o ponto morto superior (PMS) dos pistões, que é a posição mais elevada que eles atingem no cilindro. O PMS é usado como referência para ajustar o sincronismo do motor. Se o sincronismo estiver correto, as formas de onda dos sensores devem estar alinhadas com as marcas indicativas na engrenagem do eixo virabrequim e na polia do eixo de comando de válvulas. Caso contrário, pode haver um erro na montagem da correia dentada ou da corrente de distribuição.Portanto, o transdutor de pressão é uma ferramenta útil para diagnosticar o desempenho e as possíveis falhas do motor de combustão interna.

Ondas de pressão no coletor de admissão

A entrada de ar nos cilindros de um motor é um processo dinâmico que depende de vários fatores, como a velocidade do pistão, a geometria do coletor de admissão e a abertura e fechamento das válvulas. O ar que é aspirado para dentro do cilindro não flui de forma contínua, mas sim em pulsos que criam ondas de pressão nos dutos de admissão. Essas ondas podem ser positivas ou negativas, dependendo da diferença entre a pressão no cilindro e a pressão atmosférica. Quando uma onda positiva encontra uma extremidade aberta, como a válvula de admissão, ela se reflete como uma onda negativa, que reduz a pressão no duto e facilita a entrada de mais ar no cilindro. (Fig4)

Por outro lado, quando uma onda positiva encontra uma extremidade fechada, como o final do coletor de admissão, ela se reflete como uma onda positiva, que aumenta a pressão no duto e dificulta a entrada de ar no cilindro. Portanto, o projeto do coletor de admissão deve levar em conta o efeito das ondas de pressão na aspiração do ar, buscando otimizar o enchimento dos cilindros em diferentes regimes de funcionamento do motor. (Fig5) 

EXCITAÇÃO DAS ONDAS EM COLETORES DE ADMISSÃO

O efeito das pulsações nos coletores de admissão pode melhorar ou piorar a eficiência volumétrica do cilindro. O motor aspirado possui um ciclo de aspiração a cada 180°, devido a esse modo cíclico de operação, o fluxo de gases ocorre em forma de pulsação e não de forma constante. Engenheiros observaram em estudos que o movimento das válvulas e do pistão atua como fonte de excitação do ar e que essa excitação afeta o escoamento dos gases e todo o processo de admissão do ar atmosférico para dentro do cilindro. O fluxo dos gases é transiente, variando com o tempo, o escoamento dos gases para o cilindro é produzido pelo movimento rotacional do cilindro e afetado pela abertura e fechamento das válvulas. 

f = C
4.L

Onde:
C- Velocidade do som
L- Comprimento da tubulação

O efeito das pulsações no coletor de admissão depende da frequência e da amplitude das ondas de pressão que se propagam no interior do coletor. Essas ondas são influenciadas pelo comprimento, diâmetro e geometria do coletor, bem como pela sincronização das válvulas e pelo regime do motor. O objetivo é aproveitar as ondas favoráveis que aumentam a pressão no cilindro no momento da admissão e evitar as ondas desfavoráveis que reduzem a pressão. Assim, pode-se otimizar o projeto do coletor de admissão para maximizar a eficiência volumétrica do motor em determinadas condições de operação.

OVERLAP - Sobreposição de ondas de pulso de admissão e exaustão

Uma forma de explicar o que acontece quando o motor está em fase de OVERLAP (Contrabalanço) é usar o conceito de ressonância. A ressonância é um fenômeno físico que ocorre quando um sistema vibratório é excitado por uma força externa com a mesma frequência natural do sistema. Nesse caso, o sistema entra em uma oscilação de grande amplitude, aumentando a sua energia. (Fig6)

No motor, a força externa que excita o sistema é o pulso de pressão do final da fase de escape, que se propaga pelo coletor de escape até encontrar a válvula de escape aberta. Esse pulso de pressão entra no cilindro e se encontra com o pulso de pressão de admissão, que se propaga pelo coletor de admissão até encontrar a válvula de admissão aberta. Esses dois pulsos de pressão se cruzam sem se perturbarem, mas criam uma condição de ressonância no cilindro, que faz com que a mistura ar-combustível seja aspirada com mais eficiência. (Fig7)

Exemplificando, esse fenômeno, podemos imaginar um balanço em um parque infantil. Se empurrarmos o balanço com a mesma frequência que ele oscila naturalmente, ele vai ganhar mais altura e velocidade. Mas se empurrarmos o balanço com uma frequência diferente da sua frequência natural, ele vai perder energia e parar de oscilar. O mesmo acontece com os pulsos de pressão no motor: se eles tiverem a mesma frequência que o cilindro oscila naturalmente, eles vão aumentar a sua energia e melhorar o enchimento do cilindro. Mas se eles tiverem uma frequência diferente da frequência natural do cilindro, eles vão diminuir a sua energia e prejudicar o enchimento do cilindro.

O fenômeno de sobreposição de ondas é benéfico para o desempenho do motor, pois aumenta a sua potência e torque. No entanto, ele depende de vários fatores, como o tempo de abertura e fechamento das válvulas, o comprimento e o diâmetro dos coletores, a velocidade do fluxo dos gases e a rotação do motor. Por isso, é preciso ajustar esses parâmetros para otimizar o efeito da ressonância no motor. (Fig8)

PERTURBAÇÃO DAS ONDAS NO COLETOR DE ADMISSÃO

O motor de combustão interna de ciclo OTTO aspirado sem a aplicação da ignição é uma máquina de bombear ar, o ar entra para dentro do cilindro, é comprimido, descomprimido e expulso do motor. O modo como o motor admite o ar, por ciclos, causa depressões no coletor de admissão. A variação de pressão no coletor de admissão pode ser mensurada com um transdutor de pulsos, em média um coletor de admissão trabalha com a pressões entre 0,300 a 0,500 Bar negativo, abaixo da pressão atmosférica. 

A variação de pressão no coletor de admissão é um fator importante para o desempenho do motor de combustão interna, pois influencia na quantidade de ar que entra nos cilindros. O sensor de pressão absoluta do coletor, também chamado de sensor MAP, é o responsável por medir essa variação e enviar um sinal elétrico para a unidade de comando eletrônico (ECU), que calcula o tempo de injeção e o avanço da ignição. O sensor MAP é composto por uma membrana cerâmica que se deforma conforme a pressão no coletor muda, alterando a resistência elétrica de um circuito integrado. A tensão de saída do sensor é proporcional à pressão absoluta no coletor, que é a diferença entre a pressão atmosférica e o vácuo gerado pelo motor. Assim, o sensor MAP permite que o sistema de injeção eletrônica se adapte às diferentes condições de funcionamento do motor, otimizando o consumo de combustível e a emissão de poluentes.

Podemos observar a varação de pressão no coletor de admissão com um transdutor de pulso, esta variação são perturbações de ondas de ar dentro do coletor. Com o transdutor de pulso podemos verificar em gráfico o comportamento da perturbação das ondas, e com sensor MAP podemos mensurar a pressão. (Fig9)